基于R15芯片的电力行业5G模组的精简化研究

基于R15芯片的电力行业5G模组的精简化研究报告Researchonsimplifying5Gmoduleofelectric-powerindustrybasedonR15chips2021-01-C-007分析电力场景应用需求明确电力业务对速率、时延、可靠性等方面的通信需求，性能裁剪和硬件裁剪，旨在实现电力5G模组轻型化，快速推进其在各类电力业研究人员：王鑫、张宝芝、邵将、曲行根、李维成、龙迪、张伟强、 11.1输电无人机巡检 11.2输电线路可视化 21.3基于5G的变电站AR/MR巡检 31.4移动作业办公 41.5现场安全管控 51.6通信需求总表 52模组裁剪方案研究 62.1功能裁剪研究 62.1.1频段 62.1.2通信制式 72.1.3载波聚合 72.1.4双连接 82.1.5微时隙机制 82.1.6业务能力 82.2性能裁剪研究 82.2.1MIMO层数 82.2.2带宽 92.2.3调制方式 102.2.4放松终端处理速度 112.3硬件裁剪研究 122.3.1射频天线 122.3.2射频通道 132.3.3基带电路 132.4软硬件架构研究 13 162021-01-C-007基于R15芯片的电力行业5G模组的精简化研究形变、物理损坏等特征，该场景一般用于高压输电的野外空旷场景，距离较远。（2）节约大量巡检费用3）大尺寸缺陷识别准确率可达90%4）小尺寸缺此场景对通信的需求为：(1)通信速率：4K视频传输速率≥25Mbps，1080P信时延≤200ms；(3)通信可靠性99.9%；(4)隔离要12021-01-C-007图1输电无人机巡检图高清摄像头以及传感器数据通过5G切片传输至输电云管平台，通过人工智能、效可达1）极大提升巡检效率2）大尺寸缺陷识别准确率可达90%3）小此场景对通信的需求为：(1)通信速率：4K视频传输速率≥25Mbps，1080P(2)通信时延：图像/视频链路通信时延≤200ms；(3)通信可靠性99.9%；(4)22021-01-C-007图2输电线路可视化智能巡检专家系统。终端载体支持PC或手持设备。现场巡检人员穿戴AR/MR设备运行状态信息，由后端专家进行具体明确的指导。应用成效可达1）巡检周期由周变为小时2）每站每年节省巡检工时上百工人*小时。此场景对通信的需求为：(1)通信速率：4K视频传输速率≥25Mbps，1080P组成本较高，AR/MR产业在规模化应用过程中产生较高的门槛，可以通过减少32021-01-C-007图3基于AR/MR的现场巡检包括现场巡视作业、巡视签到、巡视监控等巡检应用，电费收取、费控停复电、计量换表、全能型供电所等营销服务应用。此场景应用成效是利用5G高带宽、此场景对通信的需求为：(1)通信速率：4K视频传输速率≥25Mbps，1080P(2)通信时延：秒级；(3)通信可靠性99.9%；(4)隔离要求：图4移动作业办公应用42021-01-C-007端对视频数据进行智能分析及预警。此场景5G应用成效：可对非法作业人员闯此场景对通信的需求为：(1)通信速率：4K视频传输速率≥25Mbps，1080P视频传输速率≥6Mbps；(2)通信时延：毫秒级；(3)通信可靠性99.9%；(4)隔图5人脸识别系统、人员安全行为监控和智能安全帽表1电力典型场景通信需求总表场景通信速率通信时延可靠性隔离要求输电无人机巡检≥25Mbps（4K）≥6Mbps（1080P）≤100ms（控制链路）≤200ms（视频链路）>99.9%管理信息大区输电线路可视化≥25Mbps（4K）≥6Mbps（1080P）≥2Mbps（480P）≥2Mbps（图片）≤200ms（图像/视频链>99.9%管理信息大区52021-01-C-007场景通信速率通信时延可靠性隔离要求基于5G的变电站AR/MR巡检≥25Mbps（4K）≥6Mbps（1080P）≤100ms>99.9%管理信息大区移动作业≥25Mbps（4K）≥6Mbps（1080P）≥2Mbps（480P）≥2Mbps（图片）秒级>99.9%管理信息大区现场安全≥25Mbps（4K）≥6Mbps（1080P）毫秒级>99.9%管理信息大区2模组裁剪方案研究电力行业电力终端应用的场景相对简单，并且表2NR频段工作频段上行工作频段下行工作频段双工方式n11920MHz-1980MHz2110MHz-2170MHzFDDn31710MHz-1785MHz1805MHz-1880MHzFDDn5824MHz–849MHz869MHz–894MHzFDDn8880MHz-915MHz925MHz-960MHzFDDn28703MHz-748MHz758MHz-803MHzFDDn412515MHz-2675MHz2515MHz-2675MHzTDDn783400MHz-3600MHz3400MHz-3600MHzTDDn794800MHz-4900MHz4800MHz-4900MHzTDD网络模式工作频段上行工作频段下行工作频段TD-LTEBand342010MHz～2025MHz2010MHz～2025MHzBand391880MHz～1920MHz1880MHz～1920MHzBand402300MHz～2400MHz2300MHz～2400MHz62021-01-C-007网络模式工作频段上行工作频段下行工作频段Band412496MHz～2690MHz2496MHz～2690MHzLTEFDDBand11920MHz～1980MHz2110MHz～2170MHzBand31710MHz～1785MHz1805MHz～1880MHzBand5824MHz～849MHz869MHz～894MHzBand8880MHz～915MHz925MHz～960MHzBand41710MHz～1755MHz2110MHz～2155MHzBand72500MHz～2570MHz2620MHz～2690MHzBand12699MHz～716MHz729MHz～746MHzBand17704MHz～716MHz734MHz～746MHzBand20832MHz～862MHz791MHz～821MHz强。随着5G网络的日益成熟，以及目前电力业务场景对通信速率要求不高，可载波聚合技术主要是为了支持更高的通信速率，在Release15中支持了NR其中CA的频带可以是连续的或不连续，也可以是频带内或频带间。另外，CA72021-01-C-007在同一时间只使用一种网络制式就可以满足业务速率的要求，因此不需要支持82021-01-C-007可以降低对应的MIMO层数要求，比如下行传输中可以由4层MIMO降低到2表4典型的工作频段和带宽关系工作频段上行工作频段下行工作频段支持的最大带宽n12110MHz–2170MHz40MHzn8880MHz–915MHz925MHz–960MHz20MHzn28703MHz–748MHz758MHz–803MHz30MHzn412496MHz–2690MHz2496MHz–2690MHz100MHzn783300MHz–3800MHz3300MHz–3800MHz100MHzn794400MHz–5000MHz4400MHz–5000MHz100MHzNRR15版本的UEFR1可支持100MHz的UE的最大信道带宽。如果降低UE的复杂度/成本，可以降低最大信道带宽：对于FR1和FR2系统分别降低到表5带宽降低的成本收益评估降低终端带宽FR1FDDFR1TDDFR2(200MHz)FR2(200MHz)射频:天线阵列--33.0%33.0%射频:功率放大器23.8%17.9%17.8%射频:滤波器10.0%14.7%8.0%8.0%射频:收发器(包括低噪声放大器,混频器和本地振荡器)43.7%53.0%40.6%40.3%射频:双工器/切换器20.0%5.0%0.0%0.0%射频:相对于总成本97.7%96.4%99.5%99.0%基带:模拟数字转换器/数字模拟转换器2.8%2.0%2.0%92021-01-C-007降低终端带宽FR1FDDFR1TDDFR2(200MHz)FR2(200MHz)基带:FFT/IFFT0.9%基带:Post-FFT数据缓存器2.3%5.6%2.8%基带:接收机处理模块9.9%14.2%基带:LDPC解码器3.8%3.5%5.4%3.8%基带:HARQ缓存4.2%3.3%6.0%3.5%基带:下行控制处理和解码器4.5%3.7%4.7%4.5%基带:同步/小区搜索模块9.0%9.0%7.0%7.0%基带:上行处理模块3.4%3.7%5.6%4.9%基带:MIMO专用处理模块8.2%8.4%17.0%16.5%基带:相对于总成本48.4%46.7%69.4%54.0%到64QAM，降低最大调制方式可以减少终端的射频和基带处理量，达到降低终表664QAM降为16QAM成本缩减分析优化最大上行调制方式FR1FDD(64QAM16QAM)FR1TDD(64QAM16QAM)FR2(64QAM16QAM)射频:天线阵列--33.0%射频:功率放大器22.7%22.7%16.5%射频:滤波器10.0%10.0%8.0%射频:收发器(包括低噪声放大器,混频器和本地振荡器)44.4%44.4%40.4%射频:双工器/切换器20.0%20.0%0.0%射频:相对于总成本97.9%基带:模拟数字转换器/数字模拟转换器3.6%基带:FFT/IFFT4.0%4.0%4.0%基带:Post-FFT数据缓存器10.0%10.0%11.0%基带:接收机处理模块24.0%24.0%24.0%基带:LDPC解码器10.0%10.0%9.0%基带:HARQ缓存13.9%13.9%10.9%基带:下行控制处理和解码器5.0%5.0%5.0%基带:同步/小区搜索模块9.0%9.0%7.0%2021-01-C-007优化最大上行调制方式FR1FDD(64QAM16QAM)FR1TDD(64QAM16QAM)FR2(64QAM16QAM)基带:上行处理模块4.2%4.2%5.8%基带:MIMO专用处理模块9.0%9.0%18.0%基带:相对于总成本98.3%98.3%98.4%射频+基带:相对于总成本97.8%97.8%表7256QAM降为64QAM成本缩减分析优化最大下行调制方式FR1FDD(256QAM64QAM)FR1TDD(256QAM64QAM)FR2(64QAM16QAM)射频:天线阵列--33.0%射频:功率放大器25.0%24.6%18.0%射频:滤波器10.0%14.9%8.0%射频:收发器(包括低噪声放大器,混频器和本地振荡器)42.8%51.8%38.8%射频:双工器/切换器20.0%5.0%0.0%射频:相对于总成本97.8%96.2%97.8%基带:模拟数字转换器/数字模拟转换器9.0%8.0%3.6%基带:FFT/IFFT4.0%4.0%4.0%基带:Post-FFT数据缓存器9.4%9.4%基带:接收机处理模块23.0%27.8%22.7%基带:LDPC解码器7.6%6.8%6.3%基带:HARQ缓存11.0%9.3%基带:下行控制处理和解码器5.0%4.0%5.0%基带:同步/小区搜索模块9.0%9.0%7.0%基带:上行处理模块5.0%5.0%7.0%基带:MIMO专用处理模块8.7%8.7%17.3%基带:相对于总成本91.8%91.0%射频+基带:相对于总成本94.2%93.7%94.4%2.2.4放松终端处理速度2021-01-C-007表8宽松UE处理时间带来的估计成本分析降低处理时间FR1FDDFR1TDDFR2TDD射频:天线阵列--33.0%射频:功率放大器25.0%25.0%18.0%射频:滤波器10.0%14.7%8.0%射频:收发器(包括低噪声放大器,混频器和本地振荡器)45.0%54.3%41.0%射频:双工器/切换器20.0%6.0%0.0%射频:相对于总成本100.0%100.0%100.0%基带:模拟数字转换器/数字模拟转换器10.0%9.0%4.0%基带:FFT/IFFT4.0%4.0%4.0%基带:Post-FFT数据缓存器10.0%10.0%11.0%基带:接收机处理模块20.3%24.6%19.5%基带:LDPC解码器6.6%5.9%5.9%基带:HARQ缓存14.0%12.0%11.0%基带:下行控制处理和解码器3.3%4.0%基带:同步/小区搜索模块9.0%9.0%7.0%基带:上行处理模块3.7%3.6%5.0%基带:MIMO专用处理模块8.8%8.8%17.5%基带:相对于总成本90.5%88.9%射频+基带:相对于总成本94.3%94.4%具有宽松UE处理时间的设备的估计成本平均值见上表7，从总成本的针对电力行业定制化需求，对5G模组FDD模式下射频电路进行裁剪。最5G应用产业方